中南大学本科毕业设计调研报告

本科毕业设计(论文)调研

报告

题目：基于STM32的空调压缩机控制系统设计

学生姓名：

指导教师：刘波

学院：信息科学与工程学院

专业班级：电子信息1102班

2015年3月1日

摘要

空调作为人们必不可少的家用电器，其中直流变频空调具有能效高、振动噪声低等优点，已成为家用空调市场的主导产品。压缩机是变频空调的核心部件，由直流无刷电机(BLDCM)驱动，构成驱动压缩一体化的密闭机组,使速度和位置传感器安装难度与维护成本大大增加。因此，直流变频空调压缩机驱动控制系统实质上是一个无位置传感器BLDCM控制系统。针对无刷直流电机的控制特点，分别从功率驱动和控制策略两方面进行分析和设计。选用STM32F103芯片作为主控制器，包含驱动电路、逆变电路、电流检测以及速度反馈电路，采用电流环、速度环双闭环控制策略，并且通过动态调节定时器预分频值的方法提高速度采集的精度。实验结果表明，系统响应速度快，稳定性好，具有较高的工程应用价值。

关键字：直流变频空调；无刷直流电机；STM32 ；

目录

摘要................................................................................................................................. I 目录.............................................................................................. 错误！未定义书签。

一、前言 (1)

1.1课题背景 (1)

1.2国内外研究现状 (2)

二、课题分析 (3)

2.1 研究课题的认识 (3)

2.2 预期的难点 (3)

2.2.1电机参数辨识研究现状 (3)

2.2.2无位置传感器控制技术研究现状 (4)

2.3 目前已具备的条件 (5)

三、关键技术简介 (7)

3.1 双闭环控制策略 (7)

3.2 速度测量 (9)

四、毕业设计进度安排 (10)

五、结论 (10)

参考文献 (10)

II

一、前言

无刷直流电机（ＢｒｕｓｈｌｅｓｓＤＣＭoｔｏｒ，ＢＬＤＣＭ）相比有刷直流电机及交流电机具有强大的优势，它具有更好的速度／扭矩性能，动态响应快，调速性能好，使用寿命长。在相同的体积和重量下，无刷直流电机能够传递更大的扭矩，这使得它在一些对空间及重量要求比较严格的场合无刷直流电机控制系统框图有更好的适用性。近年来，无刷直流电机在汽车、家电、航空、消费、医疗以及工业自动化领域取得了广泛的应用。

目前， ARM 内核微控制器发展迅速。ARM内核微处理器性能高，耗电少,成本低,具备16/32位双指令集。本文选用意法半导体公司基于Ｃｏｒ－ｔｅｘ－Ｍ3内核的STM32F103RBT6芯片（以下简称STM32），该芯片适用于高性能、低功耗的嵌入式领域，同时它的高级定时器可以输出三路互补且带有死区时间控制的ＰＷＭ波形，可以满足无刷直流电机的控制需求。

1.1课题背景

随着世界范围内能源危机的到来，各国都在为经济的可持续发展积极推广节能降耗技术。作为家庭用电的主要设备之一，传统的定频空调由于运行效率低下正在逐步退出市场，新一代变频空调以其显著的节能效果而受到广泛关注。与传统的定频空调相比，变频空调具有以下优点：

(1)节能。由于变频空调内装变频器，可随时调节介质压缩机的运转速度，从而做到合理使用能源，也避免了压缩机的频繁启停，这可以使空调节能30%以上

[1]，同时延长空调使用寿命；

(2)噪音低。在压缩机控制方式上，定频空调多采用120°方波驱动，而变频空调都采用正弦波驱动，使压缩机运转更加平稳，可以减小震动，噪音也随之降低；

(3)温控精度高，调温速度快。变频空调可以通过改变压缩机转速来控制空

调机的制冷(热)量，室内温度控制可精确到1C

，当室温和设定温度相差较大时，变频空调便以最大转速工作，使室温迅速逼近设定温度，而当温度差值降低时，变频空调就以较低速度运行，避免了室温的剧烈变化，同时更加省电。

正是由于以上优点，变频空调占有率迅速扩展，逐渐成为家用空调的主导产品。

1.2国内外研究现状

上世纪末，日本变频空调普及率已达90%以上，且有逐年上升的趋势。目前在日本和欧美等发达地区变频空调已经成为空调行业的技术平台，市场份额占到98%。在国内，变频空调从本世纪初才开始起步，还未发展成熟，但以目前的国家宏观调控政策以及空调厂商等方面来看，变频空调必将成为家用空调市场的主流。

由于国内具有自主产权的变频空调压缩机驱动系统方案很少，因此研究并开发出高性能、低成本的控制系统对实现变频空调压缩机驱动控制系统产业化具有极其重要的意义。

在传统的交流伺服系统中，通常采用传感器（如光电编码器、霍尔传感器等）以获得电机转子的位置和速度信息[2]。高精度的调速系统对传感器要求更高，成本也相应提高。传感器的安装带来了系统成本增加、体积增大、对工作环境敏感、可靠性降低等缺陷[3-4]。变频空调核心为压缩机，而其整体结构为机电一体化的密闭结构，压缩机与驱动电动机共同封装在一个密闭空间，大大增加了安装传感器的难度及维护成本。所以其控制方法主要是无位置传感器控制方法，其难点与关键点就是对压缩机马达转子速度与位置的实时准确估计，而其估计方法大多依赖于其内核电机数学模型，所以对电机参数的准确辨识，以建立可靠的电机数学模型，是研究无位置传感器控制技术的基础与需要。因此在获得精确模型的基础上，研究并实现一种精度高、鲁棒性强的实时转子速度/位置估计方法，将其应用于变频空调压缩机驱动控制系统，是本文主要的研究内容。

目前直流变频空调压缩机驱动电机基本都采用直流无刷电机(BLDCM)，直流无刷电机结构与永磁同步电机(PMSM)非常相似，主要区别是定子绕组不同，PMSM定子绕组为分布式，而BLDCM为集中式绕组。因为直流无刷电机成本更为低廉，所以直流变频空调压缩机驱动电机都是直流无刷电机。直流变频空调控制系统，其本质就是一个无位置传感器直流无刷电机控制系统。

直流变频空调在压缩机驱动控制技术，经过由VVVF到矢量控制的发展，目前的主流控制技术为磁场定向(FOC)矢量控制技术[5-7]。在磁场定向矢量控制中，

电流环在压缩机调速系统中响应最快，其控制参数的优劣将直接影响到整个调速系统的性能，而对电流环控制参数设计最具直接影响的是定子电阻和电感[8]。所以对电机定子参数的辨识精度将直接决定电流控制性能的好坏。另外，速度环也受到电流环的影响，同样离不开定子参数辨识。故直流无刷电机定子参数的准确辨识对无位置传感器速度估计方法及压缩机驱动控制系统参数设计均有重要意义。

二、课题分析

2.1 研究课题的认识

随着世界范围内能源危机的到来，各国都在为经济的可持续发展积极推广节能降耗技术。作为家庭用电的主要设备之一，传统的定频空调由于运行效率低下正在逐步退出市场，新一代变频空调以其显著的节能效果而受到广泛关注。所以对于空调的压缩机的工作原理，以及对新一代的变频空调的研究是非常有必要的。

2.2 预期的难点

2.2.1电机参数辨识研究现状

传统上获得电机参数的方法是空载和堵转实验，但通过该方法所得到的电机参数不准确，此外受到系统运行条件限制，使得空载及堵转试验无法实施。目前国内外在电机参数辨识方面，主要有以下几种辨识方法。

1.直流衰减法

直流衰减法通过特定的回路对电机绕组施加直流电压，然后记录电流通过电阻的衰减曲线，完成对电机参数的辨识[9]。最初直流衰减法采用单回路测试法，后来为了增加电机饱和效应变化对电机参数影响的测试，改进为双回路测试法，在施加直流电压的基础上增加不同的直流偏量来完成对电机不同饱和情况下的参数测试[10]。直流衰减法比较具有工程实用性，但需要特定的测试电路，不具有通用性。

2.最小二乘法

最小二乘法是一种形式简单的参数辨识方法，该辨识方法目标函数为测量结果与计算结果之间误差的平方和，目标函数形式简单，计算量不大，适合电机参数的在线辨识[11]，但算法的优化过程中需要目标函数对电机参数求导，转速波动

或者噪声干扰对求导结果影响很大。

3.模型参考自适应方法

图1-1 MRAS结构框图

模型参考自适应(MRAS)的基本思想是利用结构已知的参考模型构造一个可调模型，参考模型的输出为可调模型的期望输出。其结构框图如图1.1所示。自适应结构根据二者输出的误差调节可调模型的参数，使可调模型输出跟踪参考模型输出，从而达到辨识参考模型参数的目的[12]。这种方法自适应律设计以稳定性为基础，可以保证辨识结果的收敛性，但自适应律设计过程比较复杂，尤其是当多个参数同时辨识时，不适合数字控制系统中的应用[13]。

4.卡尔曼滤波方法

卡尔曼滤波器(KF)是一种采用系统随机状态空间模型的迭代算法，可实现多输入多输出(MIMO)系统的可观测状态的最优估计[14]，克服了辨识中的噪声敏感问题，但这种方法计算量较大，迭代过程中需要大量的矩阵运算，不适合工程应用。

对于直流无刷电机，一般认为不随着电机运行状态出现过大变化，且矢量控制系统的鲁棒性可以保证控制器在电机参数在一定范围内变化时仍能保持相同的性能。在线参数辨识方法在电机参数辨识中并未体现其优点，而是更多的应用在电机转速等参数的在线辨识中。

2.2.2无位置传感器控制技术研究现状

电机无位置传感器控制技术的关键与难点就是电机转子速度与位置的准确估计。早期的电机无传感器技术研究始于1989年。最早主要通过检测电机电流、电压及反电动势等波形，找到反映特殊位置的特征点，用以辨识位置。近些年来，国内外学者在这方面做了大量的深入研究。综合该领域研究的主要成果，可以将速度和位置估计方法大致分为以下四类：

1.基于电磁关系的速度/位置估计方法

这类方法是利用电机电压方程和磁链方程，得到转子位置和速度，或者通过计算定子感应电动势，来估计转子速度与位置，这种方法计算简单、动态响应快、易于实现[15]，但在低速运行时由于反电动势较小，检测误差较大，导致位置估计

精度下降，此外，此方法对电机参数依赖较大。

2高频信号注入法

文献[16]提出了高频注入方法，通过给电机注入固定频率的高频电压信号，检测相应的电流来获取转子位置和转速。不足之处在于高频信号注入会带来高频噪声问题，需要特殊电路，具有一定的局限性。

3.基于状态观测器的估计方法

目前常用的观测器有滑模变结构观测器、卡尔曼滤波器等。K.Paponpen研究了基于滑模观测器的PMSM转子位置估计方法[17-18]，估计精度高，但需要设定的参数太多，算法很复杂，实用性较差；林海及S.Bolognani分别针对直流无刷电机及永磁同步电机无速度传感器控制系统，研究了基于扩展卡尔曼滤波器(EKF)的自适应速度估算方法，研究结果表明此方法可以有效地削弱随机干扰和测量噪声的影响，但是对电机参数准确性要求较高，迭代计算量大，实用性不太强[19-20]。文献[21]研究利用Luenberger观测器实现无传感器永磁同步电机控制方法，算法比较简单，便于在线实现，但该算法为开环控制算法，抗干扰能力差。特别是反电动势中的噪声影响速度和位置的观测精度，甚至使控制系统运行不稳定。

4人工智能理论基础上的估计方法

随着人工智能理论的发展，电机控制方法也逐步走向多元化，智能控制思想开始应用于电气传动领域，专家系统、模糊控制、人工神经元网络、遗传算法等纷纷应用于交流电机的位置与速度辨识中。这些方法不依赖电机的模型，有效地解决了系统的非线性和不确定性对辨识结果的影响，但是目前这些方法大多停留在理论研究阶段，其方法还不够成熟，还未进入实用阶段。

2.3 目前已具备的条件

在电机参数辨识和无位置传感器控制技术两方面存在的问题及相应的解决方案如下：

1.在电机参数辨识方面，辨识方法分在线辨识和离线辨识两种，在线辨识输入参数较多、迭代运算量大，一般适用于对电机参数变化敏感且速度或位置控制精度要求高的电机伺服系统。在一般的电气传动系统中，该类辨识获得的参数可为调速系统实时提供基本满足要求的模型，由于其大大增加了软件代码量，性价比较低，此外电机的闭环调速系统具有一定的鲁棒性，可容许一定的模型偏差。而离线辨识方法一般需要仪表辅助测试，观测结果误差受实验条件与测试仪表精度的影响较大。

论文利用直流无刷电机基本电压方程，实现直流无刷电机定子参数的离线辨

识。该方法的激励源可由MCU精确控制，电流与激励源电压信号通过MCU的12位ADC采样得到，避免仪表测试的读数误差。

2.关于电机无位置传感器控制技术，目前在工程应用方面主要存在以下问题：

(1)一些基于模型的辨识方法如模型参考自适应、卡尔曼滤波等方法速度估计精度较高、抗干扰能力强，但设置参数较多，运算量很大，难以在实际的数字控制器上实现；

(2)另外一些较为简单的方法如高频信号注入法等方法，对实验条件或者电机参数依赖性较大，且估计结果噪声明显，也不适于在实际控制系统应用。

所以寻求一种简单可靠、抗干扰性强且稳态精度高的速度/位置估计方法，以应用于压缩机驱动控制系统，成为论文的一个重要研究内容。

针对以上两个问题，在压缩机内核电动机参数准确辨识的基础上论文提出一种带锁相环滤波的Luenberger观测器的速度估计方法，实现简单且鲁棒性较强。

三、关键技术简介

3.1 双闭环控制策略

对速度、温度、压强等物理量的控制中通常选用PID算法来实现PID控制器的数学模型如下：

以单片机为核心的控制是离散控制系统，必须对积分项和微分项进行离散化处理离散化处理后的ＰＩＤ控制器用差分方程表示如下：

为了保证控制精度和动态响应特性，系统选用电流、速度双闭环控制策略。电流环的作用是提高系统的快速响应，提供过流保护保障系统安全运行。电流环采用变速积分的ＰＩＤ调节器，基本思想是通过改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相适应。速度环的作用是提高系统抗负载扰动的能力，抑制速度波动，保证系统静态精度和动态跟踪的能力。速度环采用积分分离ＰＩＤ算法，开始时仅使用比例控制使速度快速达到设定值范围内，当速度接近设定值后才引入积分作用。该算法有效地克服了常规ＰＩＤ算法中出现的积分饱和时超调量增加使调节品质变坏的缺点。系统控制策略如图所示。

3.2 速度测量

无刷直流电机转子位置检测不但用于换相控制，而且还用于速度测量及调节，电机速度的计算转换为霍尔输出信号方波频率的测量计算。为了提高速度测量精度，通过动态调节定时器的预分频值，使得定时器的捕获值随着速度大小的变化而改变。当捕获值过低时减小定时器的预分频值，而当两次捕获之间定时器发生溢出时则加大定时器的预分频值。定时器４中断处理流程如图所示。

四、毕业设计进度安排

表5.1

五、结论

本文应用STM32芯片设计了直流无刷电机控制系统，系统采用电流、速度双闭环控制策略，并且通过动态调节定时器预分频器的方法提高了速度采集精度。系统软硬件结构合理，成本较低并且性能稳定。

参考文献

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